1. Giới thiệu
Khai thác dầu khí là môn khoa học ứng dụng, thuộc lĩnh vực thượng nguồn trong ngành công nghiệp dầu khí, có nhiệm vụ thu hồi dầu khímột cách an toàn với hiệu quả kinh tế tối đa từ các mỏ dầu khí.
Khai thác dầu khí có 02 phần: (i) hệ thống thiết bị khai thác; và (ii) công nghệ áp dụng trên hệ thống thiết bị đó. Hiện nay, ngành Dầu khí Việt Nam đang khai thác dầu và khí từ các mỏ ở trên đất liền như mỏ khí Tiền Hải C từ năm 1981 (sau này có thêm mỏ Đông Quan D và D14-STL) và ở ngoài biển-thềm lục địa phía Nam hình thành các cụm khai thác như mỏ dầu Bạch Hổ – Rồng; Rạng Đông;Sư Tử Đen-Sư Tử Vàng; mỏ khí Lan Tây-Lan Đỏ và nhiều mỏ khác với nhiều cụm hệ thống thiết bị khác nhau. Một hệ thống khai thác dầu khí cơ bản(cả trên đất liền và ngoài biển) bao gồm: vỉa chứa, giếng khoan, đường ống thu gom, bình tách, máy bơm/máy nén, hệ thống lưu chứa, và đường ống xuất bán sản phẩm dầu thô và khí.
Giếng khai thác tiếp nhận dầu hoặc khí từ vỉa chứa sản phẩm thông qua phần mở vỉa, đồng thời là đường ống dẫn dầukhí cùng với nước (gọi chung là chất lưu) lên bề mặt đất cũng như cung cấp chức năng điều chỉnh sản lượng khai thác chất lưu của giếng. Đường ống thu gom có nhiệm vụ tập hợp dòng sản phẩm từ các giếng khai thác và dẫn tới bình tách để tách riêng nước, khí và dầu phục vụ cho xử lý đạt yêu cầu sản phẩm dầu khí thương mại. Máy bơm, máy nén được sử dụng để vận chuyển dầu và khí tới điểm tiếp nhận thông qua hệ thống đường ống xuất bán. Tính chất lưu biến của dầu và khí thay đổi theo nhiệt độ, áp suất trong suốt quá trình chảy từ vỉa vào giếng cũng như qua hàng loạt các thiết bị thu gom, xử lý.
Sơ đồ tổng thể hệ thống khai thác dầu khí
2. Vỉa và mỏ dầu khí
Một vỉa dầu khí thường là mộtlớp đất đá dưới lòng đất có độ rỗng và độ thấm, chứa dầu khí và được giới hạn bởi các lớp đá không thấmhoặc các đới nước. Như vậy, mỗi vỉa dầu khí được đặc trưng bởi một hệ thống áp suất riêng. Tập hợp của một hay nhiều vỉa dầu khí trong cùng một cấu trúc địa chất sẽ trở thành một mỏ dầu khí.
Trên cơ sở điều kiện áp suất và nhiệt độ ban đầu (ngay sau khi được phát hiện) trong biểu đồ biến đổi pha, các tích tụ hydrocacbon được phân chia thành các loại vỉa dầu, khí ngưng tụ hoặc khí khô. Một vỉa dầu có áp suất lớn hơn áp suất điểm bọt được gọi là dưới bão hòa bởi vì nó có thể tiếp nhận thêm khí hòa tan trong điều kiện nhiệt độ cụ thể. Vỉa dầu có có áp suất tại áp suất điểm bọtđược gọi là dầu đã bão hòa do không thể tiếp nhận thêm khí hòa tan vào trong dầu ở điều kiện nhiệt độ thích hợp. Dòng chảy một pha (lỏng) chiếm ưu thế trong vỉa dầu dưới bão hòa. Trong khi đó, dòng chảy 2 pha (dầu và khí) thường tồn tại trong các vỉa dầu đã bão hòa.
Tùy thuộc vào tỷ số khí-dầu (GOR) hiện đang khai thác mà các giếng được khoan trong cùng một vỉa có thể thuộc nhóm các giếng khai thác dầu, khí, khí ngưng tụ. Những giếng đang khai thác với GOR cao trên 100.000scf/bbl (bộ khối/thùng) được coi là giếng khai thác khí; những giếng có GOR nhỏ hơn 5000scf/bbl thuộc nhóm giếng khai thác dầu; Nếu có GOR trong khoảng từ 5000 – 100.000 scf/bbl sẽ được coi là giếng khai thác khí ngưng tụ.
Trên cơ sở các điều kiện về năng lượng nội tại và ngoại biên hỗ trợ cho quá trình khai thác, các vỉa dầu có thể được phân chia thành các loại: (i) vỉa có hỗ trợ năng lượng nước biên; (ii) vỉa có hỗ trợ năng lượng mũ khí; (iii) vỉa có hỗ trợ năng lượng khí hòa tan; và (iv) kết hợp của nhiều dạng năng lượng.
Vỉa chứa dầu khí và các dạng hỗ trợ năng lượng
Trong trường hợp vỉa rộngvới tổng diện tích rất lớn so với phần diện tích chỉ chứa dầu, sẽ có một lượng lớn nước tồn tại trong vỉa ở xung quanh và tiếp xúc trực tiếp với vùng chứa dầu.Thể tích nước kề áp lớn thường cung cấp nguồn năng lượng đáng kể cho quá trình đẩy dầu về phía giếng khai thác. Trong quá trình khai thác, áp suất tại vùng dầu sẽ giảm xuống làm cho nước ở vùng kề áp dãn nở và di chuyển vào, góp phần làm chậm quá trình giảm áp. Khi áp suất vỉa được duy trì luôn cao hơn áp suất điểm bọt, dòng chảy trong vỉachỉ có một pha lỏng nên làm tăng tối đa chỉ số khai thác của giếng.Cùng một điều kiện sản lượng như nhau, vỉa dầu có hỗ trợ nước kề áp đủ lớn sẽ có thời gian khai thác dài hơn so với các dạng hỗ trợ năng lượng khác.Vùng nước biên ở các cánh của thân dầu sẽ có hiệu quả hỗ trợ năng lượng cũng như cải thiện hệ số quét dầu tốt hơn vùng nước nằm dưới đáy thân dầu do hiện tượng nón nước dễ dàng xảy ra đối với các giếng khai thác gần vùng nước đáy. Khi có hiện tượng nước xâm nhập vào giếng, không những sản lượng khai thác dầu sẽ giảm, mà còn làm tăng chi phí xử lý nước trước khi thải ra môi trường.
Đối với vỉa có mũ khí đủ lớn, có thể là nguyên sinh hoặc thứ sinh, khi khai thác dầu làm giảm áp suất vỉa, cả mũ khí sẽ dãn nở, khí chiếm phần thể tích lỗ rỗng để duy trì áp suất đồng thời đẩy quét dầu xuống phía dưới tới giếng khai thác. Áp suất vỉa giảm còn làm khí hòa tan trong dầu thoát ra, di chuyển lên vùng cao hơn của vỉa và góp phần làm tăng thể tích mũ khí. Mặc dù năng lượng từ giãn nở của mũ khí góp phần quan trọng trong khai thác thân dầu, nhưng một khi ranh giới khí-dầu di chuyển quá nhanh tới khoảng bắn vỉa của các giếng khai thác, khí sẽ chiếm phần lớn tỷ lệ dòng chảy vào giếng làm giảm áp suất vỉa một cách nhanh chóng.
Các vỉa chứa dầu được bao quanh bởi các biên chắn không cho dòng thường được gọi là vỉa dầu thể tích, không có hỗ trợ năng lượng từ bên ngoài mà chỉ có năng lượng nội tại trong vỉa hỗ trợ cho khai thác dầu. So sánh với các dạng năng lượng bên ngoài như mũ khí hoặc nước biên thì vỉa dầu loại dãn nở của dầu và khí hòa tan sẽ có cơ chế khai thác yếu nhất. Tại những vùng khai thác mà áp suất thấp hơn áp suất điểm bọt thì khí sẽ thoát ra khỏi dầu và tạo thành dòng 2 pha chảy vào giếng. Để cải thiện hệ số thu hồi dầu đối với các vỉa loại này, các biện pháp duy trì áp suất vỉa cần được nghiên cứu áp dụng sớm.
3. Giếng khoan phát triển khai thác
Các giếng được khoan sâu vào lòng đất để tới vị trí các vỉa sản phẩm với các công đoạn khoan có đường kính giảm dần. Sau khi hoàn thành mỗi công đoạn khoan, giếng được chống ống với cấu trúc ống sau được lồng vào trong ống trước tới mặt đất hoặc có thể là ống lửng. Mỗi cột ống chống đều được trám xi măng lên tới mặt đất hoặc ít nhất cũng phải cao hơn mức của lần trám cột ống trước đó.
Ống chống cuối cùng trong giếng được gọi là ống chống khai thác, trong đó cột ống nâng được thả vào bên trong giếng và thường được cố định với ống chống khai thác bằng nút neo. Dòng sản phẩm sẽ từ khoảng bắn vỉa, chảy qua cột ống nâng để lên tới đầu giếng khai thác trên mặt đất.
Để hỗ trợ khả năng khai thác cho giếng khi áp suất vỉa giảm, các van khí nén được lắp đặt dọc theo ống nâng ở những vị trí đã được tính toán.
Các giếng khai thác được khoan thẳng đứng hoặc nghiêng định hướng tới vỉa sản phẩm. Tùy thuộc vào đặc tính vỉa mà khoảng khai thác trong giếng khoan được thiết kế theo kiểu (i) thân trần; (ii)ống đục lỗ,màng lọc, đệm sỏi lọc cát; hoặc (iii) thông thường nhất là chống ống, trám xi măng và bắn đạn xuyên vào vỉa;
Đầu giếng là phần thiết bị bề mặt được lắp đặt ngay bên dưới van chủ đạo, và là nơi cố định đầu của các ống chống và đầu ống nâng. Tùy thuộc vào chương trình chống ống khi khoan giếng, một vài đầu cột ống chống được lắp đặt ngay sau khi trám xi măng. Đầu ống chống được cấu tạo hình côn bên trong để đảm bảo khả năng treo cả cột ống chống đó.
Đầu giếng là phần thiết bị bề mặt được lắp đặt ngay bên dưới van chính, là nơi cố định đầu của các ống chống và đầu ống nâng. Tùy thuộc vào chương trình chống ống khi khoan giếng, một vài đầu cột ống chống được lắp đặt ngay sau khi trám xi măng. Đầu ống chống được cấu tạo hình côn bên trong để giữ nêm treo cả cột ống chống. Đối với cột ống chống khai thác, đầu ống còn được ren và bắt chặt vào nêm nhằm tạo ma sát. Tất cả các đầu ống chống đều được lắp áp kế hiển thị áp suất trong khoảng không vành xuyến giữa các cột ống. Toàn bộ cụm thiết bị đầu giếng đều được đặt lên cột ống chống dẫn hướng, do vậy cột ống này luôn chịu nén và thường được trám xi măng tới bề mặt. Cột ống nâng được thả bên trong cột ống chống khai thác với một được treo ngay trên đầu cột ống chống khai thác, đầu còn lại được cố định bởi packer ở phía đáy giếng.
Cụm thiết bị khai thác được lắp đặt ngay bên trên thiết bị đầu giếng được gọi là cây thông và được sử dụng để kiểm soát dòng chảy sản phẩm của giếng. Cây thông được kết nối với đầu cột ống nâng thông qua một thiết bị nhỏ đặc biệt. Van chính được lắp ngay bên dưới đường ống dẫn sản phẩm. Ngoài ra, cây thông còn được trang bị các van nhánh, van đỉnh để dễ dàng điều chỉnh dòng hoặc đóng giếng khi cần thiết. Một áp kế thường được lắp trên đỉnh của cây thông để báo áp suất bên trong cột ống nâng.Các áp kế khác được lắp đặt cùng với các van nhánh để kiểm soát dòng chảy chất lưu.
Sơ đồ đầu giếng khoan cùng với cây thông khai thác
Trong tất cả các giếng đang hoạt động, lưu lượng chất lưu được điểu chỉnh bởi các van điều dòng (choke) lắp tại mỗi nhánh khai thác. Van điều dòng tạo đối áp cho toàn bộ thiết bị lòng giếng cũng như điều chỉnhgiảm áp đáy giếng tránh làm hỏng vỉa. Với giếng khai thác khí, van điều dòng còn có tác dụng làm giảm ngưng tụ khíhoặc thành tạo hydrat khí trong ống nâng. Vận hành cụm thiết bị đầu giếng khai thác cần có quy chế đóng và mở cụ thể. Trước khi mở van điều tiết phải tiến hành kiểm tra toàn bộ thiết bị khai thác trên bề mặt, đặc biệt là van an toàn, các đầu nối, thiết bị trao đổi nhiệt, nhằm đảm bảo dòng chất lưu chảy thông suốt qua hệ thống thu gom xử lý.Ngoài ra, các thùng chứa/bể chứa cũng cần phải sẵn sàng và đảm bảo đủ cho lần mở giếng.
4. Bình tách
Dòng chất lưu từ giếng khai thác thường là hỗn hợp rất phức tạp với hàng trăm thành phần hydrocacbon khác nhau. Dòng chảy dầu khí là dòng đa pha (lỏng khí) luôn có lưu lượng lớn, chảy rối, dãn nở mạnh, đôi khi có tham gia của hơi nước, nước và lẫn cả cát. Trong thực tế có 3 loại bình tách được phân loại thành: bình tách đứng; bình tách ngang; và bình tách hình cầu. Trong đó bình tách ngang còn được phân thành 2 loại: bình tách ngang thân đơn và bình tách ngang thân kép. Mỗi loại đều có những ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng nhất định tùy thuộc chủ yếu vào đặc tính dòng chất lưu sẽ được tách, khoảng không gian lắp đặt và đặc biệt là giá thành. Các bình tách ngang được lựa chọn nhiều nhất bởi giá thành thấp và phù hợp với nhiều loại dầu như tỷ số khí-dầu cao; có bọt; hoặc hàm lượng nước lớn, do khi tách dầu loại này cần mặt thoáng khí – lỏng rộnghoặc cần có vách ngăn. Ngoài ra bình tách ngang còn dễ dàng lắp đặt, có thể thực hiện xếp chồng để tạo thành hệ thống các cấp tách, cần dùng ít đường ống kết nối với các thiết bị khác, đồng thời chi phí vận hành thấp.
Sơ đồ nguyên lý bình tách 3 pha nằm ngang
Trong bình tách ngang, chất lưu có thời gian dài hơn khi chuyển động qua các tấm và vách ngăn song song với trục của bình, nơi chất lỏng tạo thành giọt và rơi xuống vùng chất lỏng bên dưới. Tuy nhiên, mực chất lỏng bên dưới luôn phải được điểu chỉnh cho phù hợp, tránh làm giảm hiệu suất tách pha lỏng hoặc làm cho dầu bị cuốn theo dòng chảy của khí.
Bình tách đứng thường được lựa chọn đối với dầu có chỉ số GOR thấp hoặc trung bình, cũng có thể phù hợp đối với dòng chất lưu có dạng nút chất lỏng kích thước lớn do dầu đã tách ra sẽ không bị cuốn theo dòng khí. Bình tách đứng có lợi thế diện tích chiếm chỗ nhỏ, lựa chọn tối ưu đối với các giàn khai thác ngoài khơi. Tuy nhiên, do dòng chảy tự nhiên của pha khí có xu thế bay lên trên nên làm giảm hiệu quả tách hơi và pha lỏng khi đường kính của bình tách không đủ lớn. Ngoài ra, bình tách đứng có giá thành cao, cồng kềnh khi chế tạo đồng bộ và vận chuyển khó khăn.
Bình tách hình cầu có giá thành thấp đồng thời gọn nhẹ. Tuy nhiên do có cấu tạo thu gọn nên các bình kiểu này bị giới hạn khoảng không gian để tách chất lỏng. Ngoài ra, thiết lập và điều chỉnh mực chất lỏng trong bình loại này sẽ gặp nhiều khó khăn.
5. Vận chuyển dầu khí
Saukhi được xử lý tách dầu khí và nước, sản phẩm thương mại sẽ được vận chuyển tới tàng trữ hoặc xuất bán bán. Các loại bơm dạng piston hoặc máy nén khí được sử dụng tương ứng cho dầu và khí để cung cấp năng lượng cơ học cần thiết để đẩy dầu và khí qua đường ống.
Bơm piston có 2 dạng dựa theo cách thức hoạt động: hành trình đơn và hành trình kép. Trong đó bơm hành trình kép thường sử dụng 2 piston, bơm hành trình đơn sử dụng với số lượng piston nhiều hơn nhằm tạo ra dòng dầu tương đối liên tục trong ống vận chuyển.
Máy nén được sử dụng để cung cấp khí với áp lực cao cho vận chuyển bằng đường ống hoặc cho khí nâng. Có 2 dạng máy nén được sử dụng trong vận chuyển khí: máy nén dạng piston và máy nén dạng ly tâm. Máy nén dạng piston có hiệu suất thấp do có quá nhiều chi tiết chuyển động trong quá trình vận hành. Với mỗi tổ hợp xilanh, máy nén piston bao gồm: một piston, xilanh, đầu xi lanh, van nạp, van xả, và các thành phần khác có nhiệm vụ chuyển truyền động quay sang hành trình. Máy nén dạng piston được thiết kế với khoảng hệ số nén nhất định thông qua khoảng chạy piston và thể tích làm việc mỗi xilanh. Thông thường, máy nén piston có thể cung cấp khí với lưu lượng 30.000 bộ khối mỗi phút ở áp suất nén lên tới 10.000 psi. Máy nén ly tâm có hiệu suất cao hơn do chỉ có 2 bộ phận chuyển động trong quá trình làm việc là các cánh và trục quay. Ngoài ra chi phí vận hành thấp, tiêu tốn ít dầu bôi trơn và cũng không cần dùng nước làm mát do tỷ số nén thấp nên ma sát nhỏ. Máy nén ly tâm sử dụng lực ly tâm để nén khí và đẩy vào ống khuếch tán và làm giảm tốc độ, đồng thời chuyển năng lượng động thành áp suất tĩnh. Không giống như máy nén piston, máy nén ly tâm cấp dòng liên tục ở đầu ra với lưu lượng lớn, áp suất thấp nên cần phải bố trí nối tiếp nhau. Khi đó, mỗi máy nén ly tâm sẽ nâng áp suất tới một cấp nhất định, thường chỉ là 100 psi cho mỗi cấp với lưu lượng 100.000 bộ khối/phút.
Đường ống dẫn dầu, khí hoặc các sản phẩm của công nghiệp dầu khí có tầm quan trọng đặc biệt trong khai thác dầu khí từ thu gom cho tới phân phối. So với các phương tiện vận chuyển như tầu biển, xe tải, đường ống có ưu thế đặc biệt do vận chuyển ổn định, liên tục với khối lượng lớn đi quãng đường xa với giá thành thấp. Vận chuyển dầu khí bằng đường ống có tính linh hoạt rất cao và có khả năng vượt qua những phức tạp của địa hình cũng như khắc nhiệt về môi trường xung quanh.Trong hệ thống thiết bị khai thác dầu khí ngoài biển, đường ống nội bộ mỏ có nhiệm vụ kết nối các giàn đầu giếng với giàn hoặc tàu xử lý trung tâm. Đường ống xuất bán sẽ dẫn dầu tới tầu chứa và dẫn khí về bờ và tới hộ tiêu thụ.
Sơ đồ đường ống trong hệ thống khai thác dầu ngoài khơi
Giàn cố định khoan và khai thác trên mỏ Bạch Hổ
Các đường ống được thiết kế với kích thước phù hợp với áp suất và lưu lượng của chất lưu vận chuyển. Các dự án khai thác dầu khí thường có những lựa chọn kích cỡ ống cũng như vật liệu khác nhau đáng kể. Để đảm bảo chịu được áp suất, độ dày thành ống được lựa chọn trong khoảng từ 0,95cm cho tới 3,8cm.
6. Hệ thống an toàn và điều khiển
Mục đích của an toàn hệ thống là bảo vệ con người, môi trường và thiết bị khai thác dầu khí. Do vậy nhiệm vụ chính là phải đảm bảo hydrocacbon không bị rò rỉ và chủ động hạn chế những ảnh hưởng nếu xảy ra rò rỉ. Thiết bị an toàn và điều khiển được trang bị khắp hệ thống thiết bị khai thác dầu khí, từ lòng giếng cho đến các đoạn của đường ống vận chuyển.
Van được sử dụng nhiều nhất trong hệ thống với mục đích điều khiển áp suất, mực chất lỏng, nhiệt độ và lưu lượng dòng chảy. Trong công nghiệp dầu khí, van tự động được sử dụng nhiều nhất và thường được kết hợp với các thiết bị cảm biến. Từ các hoạt động thông minh của van, các thiết bị xử lý dầu khí cũng được điều khiển tự động giúp cho quá trình được diễn ra thông suốt và an toàn.
Tài liệu đọc thêm
- Introduction to Oil and Gas Production, Fifth edition. Americal Petroleum Institute publication, 1996.
- Ken Arnod, Maurice Stewart, 2008. Surface Production Operations _ Design of oil handling system and facilities – Third edition. Elsevier
- H. Devold, 2006. Oil and Gas Production Handbook. ABB ATPA Oil and Gas.
- Howard B. Bradley, 1992. Petroleum Engineering Handbook, Third printing. SPE
TS. Nguyễn Hải An